多年來(lái)，科學(xué)家們一直在探索改變微生物細(xì)胞的方法，以改善各種產(chǎn)品的生產(chǎn)方式 - 包括藥品，燃料，甚至啤酒。通過(guò)利用代謝工程的世界，研究人員還開(kāi)發(fā)了創(chuàng)造“智能”細(xì)菌的技術(shù)，這些細(xì)菌能夠執(zhí)行多種功能，影響藥物輸送，消化甚至水凈化過(guò)程。

但是，改變細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的遺傳和調(diào)節(jié)過(guò)程帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

首先，細(xì)胞已經(jīng)被編程，以最高效率執(zhí)行正常的日常過(guò)程; 工程師為增加細(xì)胞產(chǎn)生某種物質(zhì)所做的任何改變反過(guò)來(lái)會(huì)破壞這些過(guò)程并使細(xì)胞負(fù)擔(dān)過(guò)重。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，馬里蘭大學(xué)生物工程教授兼大學(xué)Robert E. Fischell生物醫(yī)學(xué)設(shè)備研究所所長(zhǎng)William E. Bentley正在與一組研究人員合作，專注于工程微生物聚生體，其中細(xì)胞亞群設(shè)計(jì)為共同努力，實(shí)現(xiàn)理想的功能。該策略 - 該領(lǐng)域的其他人也在探索 - 允許工程師設(shè)計(jì)專門的單元并在一組單元中分配目標(biāo)工作負(fù)載。權(quán)衡是驅(qū)動(dòng)財(cái)團(tuán)執(zhí)行一系列特定任務(wù)需要工程師以某種方式調(diào)節(jié)每個(gè)細(xì)胞亞群的存在量。

盡管面臨這一挑戰(zhàn)，但很少有科學(xué)研究專注于開(kāi)發(fā)可以調(diào)節(jié)聯(lián)盟內(nèi)細(xì)胞亞群組成的裝置或系統(tǒng)。大多數(shù)情況下，此類研究要求工程師依靠手動(dòng)或用戶控制的技術(shù)在細(xì)胞亞群之間取得平衡。

因此，Bentley和他的團(tuán)隊(duì)意識(shí)到更強(qiáng)大的方法是重新設(shè)計(jì)細(xì)胞本身以自主地協(xié)調(diào)其亞群密度。他們的技術(shù)在今天發(fā)表的Nature Communications論文中得到了強(qiáng)調(diào)。

與該領(lǐng)域的其他人一樣，Bentley及其生物分子和代謝工程實(shí)驗(yàn)室的成員之前研究了群體感應(yīng)(QS) - 一種細(xì)胞形式的細(xì)胞間通信 - 來(lái)設(shè)計(jì)細(xì)菌菌株之間和之間的通信電路，以協(xié)調(diào)它們的行為。 。QS涉及小信號(hào)分子的合成，稱為自誘導(dǎo)物(AI)，其由個(gè)體細(xì)菌分泌但用于協(xié)調(diào)它們的反應(yīng)。一旦AI水平達(dá)到閾值 - 表示細(xì)胞的“法定數(shù)量” - AI信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，在那里它們激活基因表達(dá)并實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)反應(yīng)。

但是，賓利和他的團(tuán)隊(duì)更進(jìn)了一步。該小組開(kāi)發(fā)了第一個(gè)已知的平臺(tái)，用于基于存在稱為自誘導(dǎo)劑-2(AI-2)的環(huán)境線索，對(duì)聚生體組成進(jìn)行自主和有針對(duì)性的調(diào)節(jié)。AI-2被認(rèn)為是一種通用的QS信號(hào)，這意味著它被許多種細(xì)菌識(shí)別和產(chǎn)生。它廣泛地表明細(xì)胞群密度，并且被認(rèn)為是天然存在的聚生體和微生物組中的重要信號(hào)。

為了創(chuàng)建一個(gè)自主系統(tǒng)，Bentley和他的團(tuán)隊(duì)在兩種大腸桿菌菌株中對(duì)細(xì)菌QS系統(tǒng)進(jìn)行了重新布線，以便在細(xì)胞群內(nèi)通信細(xì)胞亞群的生長(zhǎng)速度由細(xì)胞間的信號(hào)決定。他們的系統(tǒng)像反饋循環(huán)一樣工作。第一個(gè)菌株檢測(cè)到AI-2，并且作為響應(yīng)，產(chǎn)生autoinducer-1(AI-1)的輸出。被認(rèn)為是“控制”菌株的第二種大腸桿菌菌株被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)由第一菌株產(chǎn)生的AI-1調(diào)節(jié)的聚生細(xì)胞的信號(hào)驅(qū)動(dòng)的可調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速率。通過(guò)這種方式，團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)采用了自己的AI-1和AI-2之間的檢查和平衡過(guò)程，這反過(guò)來(lái)又調(diào)節(jié)了合成財(cái)團(tuán)的構(gòu)成。